Riassunto esame Berardi 2°modulo

Berardi modulo 2: invecchiamento e morte neuronale

Perdita di volume e neuroni

Globalmente vedete che c'è una tendenza a una riduzione di volume sia nel nucleo caudato, che nella PFC laterale che nell'ippocampo che a livello cerebellare con soggetti che hanno un declino più grosso dei soggetti che hanno un declino minore. Però globalmente c'è una perdita di volume. E questa perdita è per esempio abbastanza simile tra l'ippocampo e la PFC. Non è una perdita di volume particolarmente forte però è presente. Tuttavia non è detto che in queste strutture siano morte cellule nervose. Quindi, avendo eliminato i due errori (1 associare la perdita di volume a una perdita di numero e 2 eliminando i cervelli delle persone con malattie neurodegenerative) quello che viene fuori è il numero che vi ho detto precedentemente, quindi qualcosa dell'ordine del 10% nell'arco di 70 anni. C'è invece un impoverimento, e qui lo vedete nell'animale: questi sono neuroni ippocampali del ratto giovane e del ratto anziano. Vedete che l'albero dendritico è meno complesso ma di nuovo se voi paragonate l'ippocampo giovane con quello con demenza di Alzheimer vedete che è un effetto molto maggiore. Quindi anche qui, quando si parla di perdita di contatti, va distinto tra invecchiamento fisiologico e patologico.

Strutture cerebrali e memoria

Ci sono alcune strutture cerebrali in cui effettivamente c'è una morte neuronale con l'invecchiamento e questo è un esempio. È una struttura della corteccia prefrontale dorso laterale che è collegata con il funzionamento della memoria di lavoro. E qui vedete la prestazione di animali giovani in nero, di animali anziani col pallino chiaro, in funzione del ritardo introdotto tra il momento in cui si propone all'animale la scelta da fare e il momento in cui l'animale effettivamente la può effettuare. Allora vedete che mantengono sostanzialmente un 90% di accuratezza anche per ritardi abbastanza cospicui di 2 minuti, mentre l'animale anziano già con un ritardo di 20 secondi va al 65/70% di accuratezza, quindi certamente ha una minor prestazione.

Area 46 e area 8A

Tuttavia andate a guardare due aree entrambe coinvolte nella memoria di lavoro. Sono entrambe prefrontale e dorso laterale: l'area 46 e l'area 8A. Nell'area 46 il numero di cellule nervose non cambia fra il giovane e l'anziano mentre nell'area 8A il numero di cellule nell'anziano diminuisce rispetto al giovane, sia negli strati superficiali (nello strato 2, 3, 4) sia negli strati profondi. E a quest'area viene ridotto anche l'ingresso colinergico dai nuclei colinergici sottocorticali. Quindi stessa funzione stessa struttura: ma un'area non mostra alcuna perdita neuronale e un'area che mostra una perdita neuronale (che però di nuovo non è il 50% dei neuroni perché se vedete l'animale giovane ha 9x10⁶ neuroni in quest'area e nell'animale anziano scendete a 8 quindi la riduzione non è catastrofica). Quindi cambiamenti nella morfologia, soprattutto nella densità sinaptica, qualche struttura mostra una presenza significativa di morte cellulare.

Specificità dell'invecchiamento

L'invecchiamento quindi agisce in maniera specifica per le diverse strutture. Ogni struttura ha la sua traiettoria di invecchiamento: c'è quella che non ha morte neuronale e quella che ce ne ha un pochino; quella in cui si perde il 5% dei contatti sinaptici e quella in cui si perde il 30% dei contatti sinaptici; quella in cui gli effetti dell'invecchiamento cominciano ad essere evidenti a 70 anni e quelli in cui cominciano ad essere evidenti a 50 anni. Quindi ogni struttura ha la sua traiettoria di invecchiamento. E all'interno delle due di cui ci occuperemo di più, cioè la PFC e l'ippocampo, la PFC dal punto di vista morfologico sembra essere più vulnerabile dell'ippocampo agli effetti dell'invecchiamento.

Plasticità sinaptica

Aspetti dell'invecchiamento fisiologico, di per sé, potrebbero ridurre la probabilità di innescare plasticità sinaptica. Quello però che vediamo è l'induzione e il mantenimento di un classico fenomeno di plasticità sinaptica come il LTP, e vedremo che ci sono proprio delle alterazioni specifiche ai fenomeni di plasticità, indipendentemente dal fatto che sia più difficile indurli ma essi stessi risultano più alterati, in particolare il mantenimento e il consolidamento. Questa è una figura famosa di Barnes.

Il test di Barnes

Barnes ha correlato la prestazione comportamentale in un test comportamentale che ha preso il suo nome, Labirinto di Barnes, e che è un test di memoria spaziale. È una piattaforma circolare grande con tanti buchi equispaziati, 20 buchi lungo la circonferenza, e di questi 20 uno conduce ad una galleria che consente all'animale di allontanarsi da questa superficie aperta e fortemente illuminata, per lui aversiva, e tornare alla sua tana buia e protetta. Allora all’inizio l’animale andrà in giro su tutti e 20 i buchi per cercare di vedere se c’è una via di fuga. Poi la trova. Quindi giorno 1 li ha visitati tutti e 20. Il giorno 2 probabilmente dice “mi sembrava fosse lì!” e quindi ne visiterà solo 10. Il giorno 3 va dritto al buco di uscita. Quindi aspetto una settimana e lo rimetto nel labirinto poi aspetto 14 giorni e lo rimetto nel labirinto e così via. Quello che vedete non è il declino della memoria ma il declino del LTP nell'ippocampo, nel giro dentato in risposta alla via perforante (che è l'ingresso dalla corteccia entorinale) mentre quindi è nel campo CA3. In entrambe le forme di LTP c'è un declino nell'ampiezza del potenziamento sinaptico indotto dal LTP stesso col tempo e questo declino è molto più pronunciato negli animali anziani che negli animali giovani. Questo correla col dato comportamentale che dice che l'animale anziano impara qual è la via d'uscita ma se la dimentica facilmente. Quindi dopo 14 giorni già s'è scordato qual era l'uscita. Quindi gli animali anziani hanno un'alterazione di plasticità sinaptica nell'ippocampo, principalmente a carico del mantenimento a lungo termine del cambiamento dell'efficacia sinaptica che correla con la perdita più probabile della traccia di memoria col tempo negli animali anziani che negli animali giovani.

Mantenimento e consolidamento a livello genetico

Allora se c'è un problema di consolidamento potrebbero esserci problemi anche a livello genetico ed epigenetico. Allora qui avete due immagini, una nell'animale e una nell'uomo. Nell'animale le cellule in giallo sono cellule che in seguito ad un apprendimento spaziale del labirinto di Barnes, hanno innescato la trascrizione di geni di plasticità che normalmente portano al consolidamento e al mantenimento di una traccia di memoria nell'ippocampo. È evidente che nell'animale giovane più cellule hanno innescato la trascrizione di geni di plasticità rispetto all'animale anziano. Nell'uomo invece sono andati a vedere non che cosa sia indotto dai fenomeni di apprendimento, ma la trascrizione basale. Quindi se noi prendiamo un soggetto di 20, 30, 40, 60 ecc. anni, a livello basale, quali geni vengono trascritti? E poi vado a fare un'espressione differenziale tra il soggetto anziano e quello giovane e ogni volta che vedete una lineetta colorata vuol dire che c'è una differenza tra l'anziano e il giovane. Ed è evidente che sono tante le lineette colorate. Quindi soprattutto tra i 60/70 anni c'è un forte cambiamento nella trascrizione genica in strutture che vanno dalla corteccia alle strutture sottocorticali. Quindi questo è molto evidente negli uomini ma in questo studio non è stato replicato. Per cui sembrerebbe che anche nell'uomo ci sia una differenza, in funzione dell'età, di quali geni sono facilmente trascrivibili e quali meno facilmente trascrivibili. A questo punto è ovvio che vi venga in mente che ci sono anche dei fattori epigenetici. E in effetti questa è una nuova apertura (epigenetica dell'invecchiamento). Tra animali giovani e anziani c'è una significativa differenza nella presenza di metilazione del DNA, quindi di trascrivibilità, e per esempio nell'ippocampo a livello delle cellule dei gangli del giro dentato, c'è un livello di metilazione più alto nell'anziano che correla con la minor trascrivibilità dei geni di plasticità che servono per il consolidamento e mantenimento delle tracce di memoria. Quindi questi cambiamenti, siccome sono tutti studi cross-sezionali, non sappiamo se si sono accumulati lentamente nel corso degli anni o se sono comparsi bruscamente.

Recupero e epigenetica

La cosa che è interessante è che negli ultimi 4/5 anni, è stato mostrato che se si controbilancia nell'animale anziano questa disregolazione epigenetica (quindi si riduce la metilazione del DNA oppure si aumenta l'acetilazione degli istoni), questo correla con un recupero dell'espressione dei geni di plasticità e un recupero della prestazione comportamentale cognitiva. Quindi l'animale anziano ha una modifica dello stato epigenetico che va verso la minor trascrivibilità genica, in particolare la minor trascrivibilità di quei geni di plasticità che sono cruciali per consolidamento e mantenimento delle tracce di memoria nell'ippocampo. Se io controbilancio in questo caso farmacologicamente, questo cambiamento indotto dall'invecchiamento recupero la trascrivibilità dei geni di plasticità e recupero anche la prestazione cognitiva. E come negli animali anziani, il dato epigenetico correla con quello comportamentale (quindi più metilazione peggior comportamento) anche in questo caso il dato epigenetico correla col dato comportamentale (più acetilazione, miglior comportamento).

Il recupero di mappe spaziali (ippocampo)

Una cosa che la Barnes ha messo in evidenza nell'animale anziano e che molto spesso si trova nell'uomo anziano è un qualcosa che noi chiameremmo disorientamento, ovvero la comparsa di una mappa spaziale erronea per l'ambiente in cui ci troviamo. Perché per me questo posto è familiare? Perché lo conosco e ne ho una mappa spaziale. Questo mi dà un senso di familiarità e di appartenenza. Se invece io dovessi recuperare una mappa sbagliata mi guarderei intorno senza sapere dove sono perché il mio ippocampo mi dice che sono in un posto diverso da questo o non sa dove sono. Potrebbe esservi capitato di svegliarvi in una stanza che non è la vostra e per 5 secondi non sapete dove siete. Poi l'ippocampo si ripiglia. Nel soggetto anziano può non accadere la fase numero due, cioè può persistere questo stato di disorientamento, allora questo studio nell'animale dà una buona idea di quello che può succedere.

Attività neurale durante il sonno

Normali ratti giovani cui fate esplorare un ambiente, sviluppano una mappa. Quindi ogni cellula di posizione sviluppa il suo campo di posizione e il giorno dopo il campo di posizione è ancora là e l'animale ha recuperato la mappa di quell'ambiente e ci naviga dentro senza problemi. Normalmente lo fa anche l'animale anziano però occasionalmente può comparire una mappa incongrua. Questo è lo schemino: l'animale giovane esplora (qua ci sono 4 campi di posizione quindi 4 cellule di posizione che hanno formato il loro campo di posizione), il giorno dopo stesse cellule e stesso campo di posizione e la mappa è sempre presente. L'animale anziano forma la mappa di posizione, poi quando torna nell'ambiente può recuperarla e si muoverà con confidenza, oppure recuperare una mappa completamente diversa. Siccome le cellule di posizione dell'ippocampo non sono infinite e noi abbiamo numerosissimi ambienti in cui siamo in grado di navigare, una stessa cellula di posizione può avere un campo di posizione diverso in contesti diversi. La stessa cellula di posizione con due campi di posizione diversi. Se però nell'ambiente in cui dovrebbe avere questa mappa ne tira fuori quest'altra ovviamente il soggetto è completamente disorientato. Non sappiamo se nell'uomo succeda questo perché non abbiamo la possibilità di misurare i campi di posizione però i report di persone che hanno sperimentato questi brevi episodi di disorientamento dicono proprio che vedono le strutture intorno, le riconoscono ma non riescono ad accumulare una mappa e sono completamente disorientati.

Consolidamento di sistema e sonno

Quindi l'animale anziano non è amnesico, non è che non forma la mappa di posizione, ma la forma in maniera debole tanto che può ricomparirne un'altra. Questa fa parte di quegli aspetti del consolidamento di sistema che consentono la formazione di tracce di memoria dichiarativa a lungo termine che poi vengono trasferite progressivamente dall'ippocampo alla neocorteccia. E nell'animale è stato dimostrato che se andate a guardare la correlazione tra l'attività di cellule di posizione con il campo di posizione vicino quando l'animale è attivo ed esplora l'ambiente e quando dorme, ricompare durante il sonno un'attivazione che dà l'idea che l'animale stia ripassando l'episodio avvenuto durante la veglia. In particolare, in uno studio in cui l'ambiente da esplorare era un corridoio lungo e stretto, dove l'animale andava sostanzialmente avanti e indietro, quindi le cellule di posizione si attivavano in serie una dopo l'altra, durante le fasi di sonno si riattivavano esattamente nella stessa sequenza, dando proprio l'idea che l'animale stesso ripassando l'episodio durante la veglia. Cellule vicine sono quindi correlate tra di loro perché si attivano in funzione della sequenza di esplorazione. Questo è verissimo nell'animale giovane mentre non lo è nell'animale anziano. Quindi non solo la mappa è un po' più labile (posso sbagliare e recuperarne un'altra) ma la sua durata nel tempo è compromessa: se non c'è questo fenomeno di riattivazione il fenomeno di consolidamento di sistema potrebbe fallire e quindi col tempo la traccia potrebbe degradarsi. Quindi l'ippocampo anziano non è disfunzionale ma manifesta alcune alterazioni: c'è meno plasticità, quindi la traccia si mantiene meno bene, cioè c'è una repressione epigenetica di alcuni geni di plasticità e anche il consolidamento di sistema potrebbe essere danneggiato.

L'ippocampo e le sue strutture

Adesso vediamo quali sono gli effetti diversi che l'invecchiamento fisiologico e patologico produce nell'ippocampo.

Formazione ippocampale

La prima cosa che vi dico è che l'ippocampo lo chiamano formazione ippocampale, per far capire che sotto ci sono sotto strutture e per capire che non è solo l'ippocampo che partecipa ai fenomeni di memoria dichiarativa, ma l'ippocampo e le aree adiacenti (in particolare la corteccia entorinale). In questo ingrandimento, le strutture arcobaleno, che sono l'ippocampo e la corteccia entorinale, le vedete espanse e qui vedete l'ippocampo con i suoi campi principali: il giro dentato, il campo CA3 e CA1, la corteccia entorinale che fornisce la maggior parte dell'ingresso all'ippocampo e il subiculum e qui vedete anche alcuni dei circuiti già studiati: la Corteccia entorinale che fornisce l'ingresso al giro dentato, il giro dentato che lo passa al campo CA3, il CA3 che è una matrice di auto-associazione quindi le cellule sono interconnesse fra loro ma proietta anche al campo CA1 e il CA1 riproietta tramite il subiculum alla corteccia entorinale. In più vedete connessioni che non avete studiato: la corteccia entorinale che parla direttamente anche con CA1 e CA3 e con il subiculum. Quindi formazione ippocampale vuol dire che è più complesso di come l'avete studiato inizialmente.

Effetti differenziali dell'invecchiamento

Però quello che m'interessava farvi vedere è l'effetto differenziale dell'invecchiamento fisiologico e patologico nell'ippocampo e in particolare arrivare a indicare le diverse funzioni delle strutture della formazione ippocampale e i diversi effetti dell'invecchiamento su di essi:

• La prima cosa è il giro dentato: noi l'abbiamo già associato con il pattern separation. Quindi con la possibilità di contestualizzare con precisione nel tempo e nello spazio, cioè di differenziare memorie episodiche che hanno una larga parte del contesto in comune.
• Il campo CA3 viene invece associato principalmente con il pattern completing (completamento della traccia di memoria): “Aspetta, quand'è che è successo questo…” e avete solo un elemento della traccia di memoria, però lavorandoci un po' la recuperate tutto. Questo sembrerebbe principalmente legato al funzionamento del campo CA3.
• Mentre il campo CA1 sembrerebbe cruciale per l'input integration, quindi integrare le diverse componenti che formano il contesto. Il contesto è visivo (forma e luogo), uditivo, olfattivo, somato-sensoriale. Tutte queste informazioni insieme fanno il contesto. Allora per questa formazione input integration sembra cruciale il campo CA1.
• La corteccia entorinale sembra cruciale per quella componente di memoria a breve termine cruciale per la formazione della memoria a lungo termine successiva.
• Il subiculum per il recupero della traccia di memoria.

Come tutte le semplificazioni, questa è grossolana e la facciamo per semplificare. Poi il campo CA1 è importante anche per il pattern completing, però se ad ogni struttura dobbiamo associarla componente che maggiormente risente di danni a quella struttura, il quadro è questo.

Giro dentato (neurogenesi) e invecchiamento

L'unica cosa che ci aggiungo è che il giro dentato è una delle poche aree in cui è stato osservato il fenomeno della neurogenesi anche nell'adulto. Benché il tasso di neurogenesi declini con l'età, la sua presenza suggerisce che il giro dentato potrebbe mantenere una certa capacità di adattamento anche in età avanzata, sebbene in misura ridotta rispetto a individui più giovani.